冷卻塔風機的節能及安全控制研究

      摘   要： 對冷卻塔風機節能及安全控制進行研究，以實現風機運行的節能、安全自動化在線管理，通過對實際使用效果考察表明：該控制系統解決了風機管理上存在的一些難題，實現了風機節能、安全自動化控制。提高了經濟效益和設備可靠度，收到理想效果，也為加強設備的科學管理提供了新的思路。 
        關鍵詞： 冷卻塔 風機 節能 
        冷卻塔風機是循環水系統的核心設備[1]。北京燕山石化公司煉油廠目前擁有7套循環水裝置，循環冷卻水總設計處理量為4.665×104t/h；涼水塔風機105臺（其中4.7m 98臺，8.5m 7臺），總裝機功率為4060kW，同時開機情況下最大日耗電量達9.74×104kW·h。 
        就循環水設備管理情況看，無論是從設備的數量、維修工作量、耗電量等哪個方面來講，冷卻塔風機都占有很大比重。風機臺數占車間設備總量的57％，維修工時占總量的60％，電耗占總量的22％。如何在節能降耗、減少勞動力的情況下來保證設備的長周期運行，必然要應用先進的科學技術及管理方法[2]。自1993年開始，筆者單位與中科院工程熱物理所合作，共同研制開發了風機節能自控和安全自控2套監測系統，即“KR-933型風機節能控制器”、“KR-939型風機安全運行監控器”。目前該系統已經在循環水車間得到了全面應用，并取得了理想的效果。 
        1 風機節能控制器的研究 
        提出風機節能控制管理的目的，是實現風機運行閉環自動控制。根據生產的需要預先設定供水溫度，由氣候氣象環境對水溫的影響、系統換熱條件的改變對水溫的影響，用溫感探頭的實測值及時反應出來，最終通過調控降溫設備的能耗來穩定供水溫度，實現自控節能。 
        通常認為，“變頻調速技術”是完成上述過程的理想方法。但變頻調速技術在循環水冷卻塔風機控制上的運用存在如下局限性和缺陷： 
        ①“變頻調速技術”可以做到很高的控溫精度，但這在循環冷卻水系統卻不很重要。 
        ②變頻器自身的能量損耗（平均運行效率不足90％）影響節能效果。 
        ③變速運行造成風扇葉片攻角改變（迎風角），風機脫離工作點運行使效率降低。 
        ④電機脫離額定轉速的低速運行，以及轉速、扭矩、功耗之間的非線性關系，也使電機的運行效率大為降低。 
        ⑤變頻調速系統價格較為昂貴（每千瓦1000元左右），新建工程和老設備改造都需較大投入。 
        ⑥設計上還必需考慮變頻調速器運行在某些特定轉速時的破壞性共振問題，和變頻調速器產生強電磁污染對其它儀表的干擾等問題。 
        我們根據冷卻塔風機往往是以多臺并聯的機群形式工作，為此提出了根據測量供水溫度的變化，自動調節風機的開、停機數量達到控溫節能的目的。 
        這是一種簡單易行、費用低廉的控制方法，但它又有別于常規的PID模擬調節方式。它是一種單變量離散控制閉環調節系統，既要保證有一定的控溫精度，又不允許風機頻繁啟停；既要保證風機能單臺工作，又要求多臺風機在時間和啟停次數上平衡運行。 
        針對冷卻塔風機控制管理中實際遇到的問題，我們提出了“溫度測量范圍”、“測量精度”、“顯示分辯率”、“測量上下限”、‘測量校準值”、“執行周期”、“溫度允差”、“溫度速率允差”等共18項基本設計要求進行研發制作，并于1993年3月首次在第三循環水場風機現場試用，該系統命名為“KR-933風機智能控制器”。 
        2  風機安全監控器研究 
        提出風機安全監控管理的目的，是為了自動檢測出振動、油溫、油位的變化數值，并進行顯示和記錄，同時對檢測值超限的風機進行報警和停機，以求達到風機安全平穩運行的目的，減少甚至杜絕風機損壞事故的發生。根據現場管理的實際情況，確定了“風機振動”、“滑油油溫”、“減速箱油位”3個參數是保證風機安全最重要的運行參數[3]。又確定了“測量范圍”、“測量精度”、“巡檢時間”等共15項設計參數進行研發制作。該系統于1993年9月在循環水場得到首次試用，命名為“KR-939風機安全監控器”。
該系統運用了多參數組合探頭技術、數字指令編碼技術和計算機網絡管理技術。三參數組合探頭安裝于風機減速箱泊尺固定座上，其探桿直接插入滑油中，將減速箱內的油溫、泊位及設備振動值直接轉換為電信號，并遠傳至控制室內的風機安全監控器。每臺安全監控器可以用一條四芯電纜掛接8只組合探頭，對8臺風機的運行參數進行實時監控，同時完成數字顯示。超限報警、超限停機等多相功能。經過了多次的試驗和改型設計，目前已經成功運用于設備生產現場，各項參數達到了預定的設計要求。 
        3  實現計算機聯網控制 
        上面介紹的兩種測控系統，可以通過一條四芯通訊電纜（RS-422標準串行接口）與1臺管理計算機連接，計算機可以是通用型PC機或工控機。當配備相應的組態化監控管理軟件（DCS-900軟件），即可與多臺KR-933、KR-939監控器實現聯網控制。與計算機聯網后的風機監控器增加了如下功能： 
        ①同時監控網內所有控制器的測量參數，實現綜合管理。 
        ②修改網內各控制器的設定參數。 
        ③根據各控制器運行參數變化實現系統優化管理。 
        ④進行歷史數據及圖形的記錄，幫助分析，方便查詢。 
        4 風機管理研究的效果 
        自1993年開始北京燕化煉油廠進行風機自控管理試驗，取得了良好的效果，主要成績反應在節能和安全運行兩個方面。 
        4.1 風機運行節電效果明顯 
        以安裝了KR-933的第二循環水場為例，使用KR-933節能控制器的節能效果見表1。
如表1所示，最初現場試用KR-933節能控制器的第三循環水場，在1993年風機負荷較重的6，7，8，9這4個月內，耗電量與1991，1992年同期相比，節電量178533kW·h，若以0.45元/(kW·h)計算，這4個月共節約用電費7.92萬元；而第三循環水場安裝節能控制器的費用只有4.36萬元，可見投入的費用只需設備運行幾個月就能收回。 
        目前我廠已陸續在4個循環水場應用了KR-933智能控制器13臺，受控風機92臺，取得了可觀的經濟效益。
        表1 KR-933節能效果 

        4.2 保證風機安全運行 
        經過幾年的不斷改進，到1998，1999年度，安全監控器的準確率得到了大幅度的提高，其中1999年1月至1999年7月的統計數據表明，系統共報警17次，其中查出設備存在問題的有13臺，報警準確率大于76.5％；并且在設備檢查過程中，發現了2臺具有嚴重設備隱患的問題，避免了設備的嚴重毀壞，收到了良好的經濟效果。
根據現場經驗，處于完好狀態下的風機，其油溫、油位、振動曲線的特征如下： 
        ①油溫曲線：從開、停機時刻起逐漸升、降，約1h左右變成一條近似直線的平滑曲線。 
        ②泊位曲線：無論是否開機，都應近似一條水平的直線。 
        ③振動曲線：開機狀態下，圍繞一條虛擬的直線作上下窄幅振蕩的不規則曲線。
1994年以來，我廠先后在6個循環水場安裝了13臺KR-939型風機安全監控器，對86臺不同類型的風機進行了長期在線監測。使我廠風機的檢修維護由原來的主要依據風機累計運行時間安排大修，變為根據監控器的測量數據來安排檢修，使風機的檢修維護工作變得更加科學合理。安裝安全監控器后的風機，檢修工作量比原來降低了大約30％；同時，多次避免了風機嚴重毀壞性事故的發
生，幾年來，沒有發生過任何意外損壞事故，取得了可觀的效益。 
        5  不足之處 
        5.1 大型風機不適合應用KR-933節能控制器 
        對于大功率少機組風機的循環水場，由于每開停1臺風機，都會對水溫產生很大的影響。因而，應用KR-933風機節能控制器無法正常穩定控制水溫。如第六循環水場共有3臺直徑8.53m、功率160kW的風機，假設安裝風機節能控制器，在設定溫度速率允差。溫度允差、執行周期等參數時，必然產生極大的矛盾，很難選擇出適當的參數值，最終也達不到節能降耗的目的。這種情況下的風機管理，比較適合采用自動變頻調速系統進行控制管理。目前也正在進行這方面的準備工作。 
        5.2 KR-939安全控制系統的油位測量技術還有待改進
目前KR-939安全監控器仍存在不足，其主要問題是油位監測，由于受惡劣條件的影響，較容易出現熱絲結垢、滑油含水造成斷絲故障。若探頭檢修不及時，還需要進行人工上塔巡檢實測。
加強風機的科學現代化管理，還應在現有的基礎上不斷改進。